A armadura de tração de dutos flexíveis é a camada responsável por suportar as cargas axiais destes equipamentos em campo. Com a tendência de aumento das profundidades de exploração e produção de petróleo offshore, principalmente dos campos do pré-sal brasileiro, faz-se necessário o uso de materiais com desempenho superior. Este trabalho buscou avaliar e comparar dois aços de alta resistência mecânica para tal aplicação, um predominantemente perlítico e outro martensítico. Durante a vida em serviço destes componentes, eles sofrem tensões axiais cíclicas associadas ao processo de corrosão, que gera pites como concentradores de tensões. Considerando estes aspectos, os materiais foram avaliados segundo seu comportamento à fadiga sem e com a presença de um pequeno defeito conhecido, que atua como um entalhe e busca simular um pite de corrosão. Além disso, esses materiais foram caracterizados metalúrgica e mecanicamente e sua tenacidade à fratura foi estimada via o método do CTOD. A partir dos dados experimentais, foi quantificada a sensibilidade ao entalhe, guiada essencialmente pelo processo de iniciação de trinca, ao passo que a tenacidade à fratura não foi decisiva. O material martensítico apresentou desempenho superior em fadiga e menor sensibilidade ao entalhe e mostrou-se promissor para a aplicação como arame da armadura de tração. / The tensile armor of flexible pipes is the layer responsible for support axial loads of this equipment in field. With the trend of deep increase in offshore oil exploration and production, mainly in pre-salt fields, the use of materials with high performance becomes necessary. The aim of this dissertation is evaluate and compare two high strength steels for such application, one with perlite and other with martensitic matrix. During service life of these components, they are damaged by cyclic loading associated with corrosion process which promote corrosion pits like stress concentrators. Considering these aspects, the materials were evaluated according their fatigue behavior with and without a small defect that act as a notch and simulates a corrosion pit. In addition, they were characterized metallurgical and mechanically and their fracture toughness was estimated through CTOD test. From experimental data, notch sensitivity was quantified. This was driven by initiation process, and fracture toughness was not decisive. The martensitic material showed higher fatigue performance and lower notch sensitivity and presented itself promising for tensile armor wire application.

Risers são elementos que fazem a conexão física entre a plataforma e o poço. Eles são fundamentais na explotação de petróleo no mar. O projeto destes elementos é, cada vez mais, uma tarefa desafiadora, devido ao aumento da profundidade de explotação, que pode tornar inviável a utilização de uma configuração mais tradicional, como a catenária. Para viabilizar a explotação através de risers, surgem outras configurações, entre elas a lazy-wave, que foi estudada neste texto. Um riser deve atender a critérios de engenharia quando submetido a diversas condições ambientais. Cada uma destas condições é simulada numericamente o que, devido à complexidade do problema, demanda um grande tempo computacional. Considerando-se que, dado um campo, existe um grande número de possibilidades de configurações de risers, o tempo necessário para uma busca exaustiva pela melhor configuração é grande demais, tornando o resultado do projeto altamente dependente da experiência do projetista. Neste trabalho foi proposta uma abordagem diferente, atacando o problema por três frentes: o uso de técnicas de otimização para tomada de decisão sobre as configurações a serem simuladas, com o objetivo de diminuir o número de simulações necessárias, a realização das simulações através de modelos capazes de diminuir o tempo de simulação de cada condição ambiental, e o uso de computação paralela, por meio da qual o trabalho computacional é dividido entre vários núcleos, permitindo maior rapidez na obtenção dos resultados. Para aplicar as técnicas de otimização, foi necessário transformar o projeto de um riser em um problema de otimização, definindo variáveis de projeto, restrições e função objetivo. Em seguida estudaram-se os métodos de otimização aplicáveis ao problema e estes foram implementados em uma ferramenta computacional. Os modelos utilizados para realização das análises dinâmica e estática foram trabalhados tanto para generalização quanto para aumento de robustez e de confiabilidade. A ferramenta desenvolvida foi aplicada a um caso real e os resultados apresentados, através dos quais foi estudada a influência das condições ambientais (movimentos do topo, correntezas e offsets) utilizadas. Dois algoritmos heurísticos e quatro de programação matemática foram também comparados, os primeiros tanto em sua versão serial quanto na paralela. Comparações entre diferentes funções objetivo foram feitas, tendo o melhor resultado sido obtido minimizando a máxima amplitude de tensão dinâmica. Através da minimização desta função, a resposta dinâmica do riser é aprimorada, tendo sido obtidos resultados que mostram que é possível conseguir em pouco tempo e de maneira automática uma configuração que satisfaz os critérios de engenharia aplicáveis a este tipo de projeto e que é a melhor de acordo com uma medida objetiva de eficiência. / Risers are elements that physically connect the platform to the well. They are fundamental elements in sea oil exploitation. Their project is a challenging task, due to the continuous increase in exploitation depth, which can turn infeasible the use of more traditional configurations, such as the free-hanging. To make the exploitation feasible, other configurations are possible, among them the lazy-wave, which was studied in this text. A riser must fulfill engineering criteria under several environmental conditions. Each of these environmental conditions is numerically simulated and, due to the complexity of the problem, the required computational time is high. If one considers that, in a given field, a great number of riser possibilities exists, the time required for a comprehensive search for the best configuration is too large, making the project outcome highly dependent on the designers experience. In this work a different approach was proposed, in three fronts: the use of an optimization technique to decide which configurations will be simulated; in order to reduce the number of necessary simulations, the execution of the simulations using models which are capable of reducing simulation time for each environmental condition; and the use of parallel computing, through which the computational burden is divided among several cores, leading to a faster solution. In order to apply an optimization technique, it was necessary to transform a riser design into an optimization problem, defining design variables, restrictions and objective function. Then, applicable optimization methods were studied and implemented in a computational tool. The models used for the execution of the dynamic and static analyses were generalized and tweaked, so that a better reliability and robustness could be achieved. The developed tool was applied to a real case and the results presented, through which were studied the influence of environmental conditions (top movements, currents and offsets). Two heuristic and four mathematical programming optimization algorithms were also compared, the first both in serial and parallel versions. Comparisons among different objective functions were made, with the best result being obtained by minimizing the maximum dynamic stress amplitude. Through the minimization of this function, the dynamic response of the riser is improved, with results which show that it is possible to obtain in a short time and in an automated way a configuration that fulfills the applicable engineering criteria and that is the best, according to an objective performance measure.

Risers em configuração de catenária podem apresentar nível de tração muito baixo próximos ao fundo do mar. Isso pode ocorrer em algumas condições de lançamento, em que sua estrutura pode se configurar de forma quase vertical. Quando se trata de tubos flexíveis ou cabos umbilicais, a composição interna do riser contém armaduras helicoidais de tração. Essas podem induzir a ocorrência de giro axial quando o tubo é solicitado à tração. Se esse movimento não for permitido, surgirá um momento de torção na estrutura. O baixo nível de tração da configuração de catenária combinado com o momento de torção surgido durante o lançamento do riser pode levar a uma forma de instabilidade estrutural que culmina na formação de um laço. Isso é indesejável uma vez que, se existe o laço, dependendo dos esforços submetidos à linha, é possível que o laço se transforme em uma dobra, danificando a estrutura. O presente trabalho analisa as condições de formação de laços em configurações de catenária. Para isso, foram utilizados critérios de estabilidade aplicados a um modelo de elementos finitos, que leva em conta as não linearidades geométrica e de contato entre o riser e o solo. Foi utilizada uma formulação cinematicamente exata de elemento de viga através de uma descrição lagrangiana atualizada, que pode tratar de forma correta as grandes rotações que são impostas ao riser para induzir o surgimento do momento de torção. É mostrado que uma expressão analítica baseada na Fórmula de Greenhill pode prever o fenômeno com boa concordância com os resultados numéricos, mesmo considerando-se fenômenos como contato unilateral com atrito e correntezas marítimas. Além disso, foi feita uma análise paramétrica para prever a formação do laço para diversas geometrias de catenária, procurando generalizar as conclusões obtidas. / Catenary risers can show a very low tension level close to the seabed. This can occur in some launching conditions, in which the structure can be almost vertical. When dealing with flexible pipes or umbilical cables, their internal composition includes the helical tension armors. These can induce an axial rotation to the riser when it is tensioned. If this movement is constrained, a torsion moment will act upon the structure. The low tension level present in the catenary configuration combined with the torsion moment that occurs during the riser launching can lead to a structural instability, resulting in a loop formation. This is undesirable since, if the loop is present, depending on the loads applied to the riser it is possible that it turns into a kink, causing damage. The present work analyzes the loop formation conditions in catenary riser. For that, stability criteria were applied to a finite element model that takes into account the geometric nonlinearities and also the contact between the riser and the seabed. A kinematically-exact beam formulation was adopted, dealing correctly with the large rotations that are imposed to the riser, in order to induce the torsion moment. It is showed that an analytical expression based on Greenhills formula can predict the phenomenon with a good agreement with numerical results, even including phenomena as frictional unilateral contact and sea currents. Furthermore, a parametric analysis was done to predict the loop formation to some catenary geometries, in order to generalize the obtained conclusions.

Flexible pipes are used in the offshore oil production to transport fluid and gas from the sea bead to the floating stations, and vice versa. These pipes have several concentric layers, of different materials, geometries and structural functions, since they are exposed to adverse operating environments, subjected to high internal and external pressures, high axial stresses and a series of dynamic loads. The local analysis is an important stage of a flexible pipe design and it consists on determining the stresses and strains distributions along the layers of the pipe. Multipurpose finite element packages are commonly used in the local analysis of flexible pipes, but they possess many limitations due to its generic nature, varying from the absence of specific tools for model creation to heavy restrictions of the number of degrees-of-freedom to make computational processing feasible. At the Polytechnic School of the University of São Paulo, within a research line in progress, several finite macroelements were formulated specifically for structural analysis of flexible pipes, taking into account their particularities, such as geometric patterns and layers assemblage. However, the numerical tools that implement these elements present very high memory and processing consumptions, limiting its usage for large-scale models. Therefore, this work has been motivated by memory and processing limitations of finite element structural analysis of flexible pipes for offshore applications. In this context, the Element-by-Element method, which does not require the global stiffness matrix, was chosen for its potential in memory reduction and processing capabilities, given its scalability and ease of parallelization. After an extensive literature review on numerical methods regarding the EBE method, it was chosen the Element-by-Element Diagonal Preconditioned Conjugate Gradient Method (EBE-PCG) algorithm. Aiming higher computational performance, the finite macroelements formulated by (PROVASI, 2013) were converted to the C++ language, implemented and parallelized in a new analysis tool, named as PipeFEM. The diagonal preconditioned EBE-PCG algorithm was implemented and parallelized with OpenMP. The scalability of the PCG algorithm is directly influenced by the efficiency of the matrix-vector product, an operation that, in the element-by-element method, is computed in a local basis with the blocks that comprise the model, and that requires synchronization techniques when performed in parallel. Four different synchronization strategies were developed, being the one based on geometric- and mesh- based mappings the most efficient of them. Numerical experiments showed a reduction of almost 92% in the EBE-PCG solution time of the parallelized version in comparison to the sequential one. In order to compare the efficiency of PipeFEM with the well-established finite element package ANSYS, a simplified flexible pipe was modeled in both software. PipeFEM was approximately 82 times faster than ANSYS to solve the problem, spending 24.27 seconds against 33 minutes and 18 seconds. In addition to this, PipeFEM required much less memory, 61.8MB against 6.8GB in ANSYS. In comparison to the dense version of MacroFEM, a reduction of more than three orders of magnitude was achieved in memory consumption. Despite the low the rate of convergence presented by the diagonal preconditioner, the implementation is very efficient in computational terms. Therefore, the objectives of this work were fulfilled with the development and application of the EBE method, allowing a reduction of memory and simulation costs. / Tubos flexíveis são utilizados na produção offshore de petróleo para o transporte de fluidos e gás natural das estruturas submersas até as estações flutuantes, e vice-versa. Estes tubos possuem diversas camadas concêntricas, de diferentes materiais, geometrias e funções estruturais, pois são expostos a ambientes adversos de operação, nos quais são submetidos à elevadas pressões internas e externas, elevados carregamentos e tensões axiais, além de uma série de carregamentos dinâmicos. A análise local é uma etapa importante do dimensionamento de um tubo flexível e consiste em determinar as distribuições de tensões e deformações ao longo das camadas do tubo. Pacotes multiuso de elementos finitos são comumente utilizados na análise local de tubos flexíveis, mas, devido as suas naturezas genéricas, possuem limitações que variam desde a ausência de ferramentas específicas para a criação de modelos até restrições pesadas no número total de graus de liberdade para tornar exequível o processo computacional. Na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, dentro de uma linha de pesquisa em andamento, diversos macroelementos finitos foram formulados especificamente para a análise estrutural de tubos flexíveis, levando em consideração as suas particularidades, como por exemplo padrões de geometrias e de montagem de camadas. Entretanto, a ferramenta numérica que implementa esses elementos apresenta elevado consumo de memória e de processamento, o que limita o seu uso para modelos de grande escala. Portanto, este trabalho foi motivado por limitações de memória e processamento em análises estruturais com o método dos elementos finitos para tubos flexíveis de aplicações offshore. Neste contexto, o método elemento-a-elemento, caracterizado pela eliminação da matriz global de rigidez, foi escolhido devido ao seu potencial de redução de consumo de memória e às suas capacidades de processamento, dada a sua escalabilidade e facilidade de paralelização. Após uma extensa revisão bibliográfica em métodos numéricos a respeito do método EBE, foi escolhido a versão diagonalmente precondicionada do método do gradiente conjugado (EBE-PCG). Com o intuito de se obter maior performance computacional, os macroelementos finitos formulados por (PROVASI, 2013) foram convertidos para a linguagem C++, paralelizados e implementado em uma nova ferramenta de análise chamada de PipeFEM, totalmente escrita em C++ e que explora paralelismo em todos as etapas. O algoritmo EBE-PCG foi implementado e paralelizado com OpenMP. A escalabilidade do algoritmo PCG é diretamente influenciada pela eficiência do produto entre matriz e vetor, uma operação que no método elemento-a-elemento é calculada na base local com os blocos que compõem o modelo, o que requer técnicas de sincronização quando realizada de modo paralelo. Quatro diferentes estratégias de sincronização foram desenvolvidas, sendo a mais eficiente delas a que utilizada mapeamentos baseados em características da geometria e malha. Experimentos numéricos mostraram uma redução de quase 92% no tempo de simulação do algoritmo PCG da versão paralelizada em relação à sequencial. De modo a comparar a eficiência do PipeFEM com o pacote bem estabelecido de elementos finitos, ANSYS, um tubo simplificado foi modelado em ambos os programas. PipeFEM foi aproximadamente 82 vezes mais rápido do que o ANSYS, gastando 24.27 segundos contra 33 minutos e 18 segundos. Além disso, PipeFEM consumiu muito menos memória, 61.8MB contra 6.8GB in ANSYS. Em comparação com a versão densa do MacroFEM, uma redução superior a três ordens de grandeza no consum e de memória foi obtida. Assim, apesar da baixa taxa de convergência apresentada pelo precondicionador diagonal, a implementação está muito eficiente em termos computacionais. Portanto, os objetivos deste trabalho foram alcançados com o desenvolvimento e aplicação do método EBE, o que permitiu uma redução considerável dos custos de simulação e memória.

Oil and gas exploitation in deep waters has become more than just a profit business to be a daily necessity, since the world energy matrix is based on fossil components. Risers are offshore structures that are intimately linked with oil and gas exploitation and those are subjected to a great variety of effects in field, e.g., marine currents, Vortex Induced Vibration (VIV), heave motion caused by gravitational waves, non-linear contact with the sea floor, and many others. Riser dynamics is essentially non-linear and experimental tests in real scale are almost impossible due to a great variety of control parameters acting concomitantly. Small-scale models are a better experimental approach. Nevertheless, there are many structural and hydrodynamical parameters to be evaluated. Considering only vertical risers in the present work, Galerkin\'s modal decomposition is used in order to reduce the dynamics of a vertical flexible cylinder to a few linear modes in which the majority of energy and information are contained. From the modal analysis, added mass and structural parameters damping of a vertical flexible cylinder using data obtained from free-decay tests performed both in water and in air are evaluated. Finally, a modal Mathieu-Hill oscillator with non-linear damping is constructed and, based on aStrutt diagram, modal stability under parametric resonance is discussed. / Exploração de óleo e gás em bacias de águas profundas tem-se tornado mais do que apenas uma economia lucrativa, para ser uma necessidade diária, já que a matriz energética mundial está baseada em componentes fósseis. Risers são estruturas offshore ligadas intimamente com a exploração de óleo e gás e essas estão sujeitas a uma grande variedade de efeitos na operação, e.g., correntes marítimas, Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV), movimento de heave causado por ondas gravitacionais, contato não-linear com o solo marinho, entre outros. Dinâmica de risers é essencialmente não-linear e testes experimentais em escala real são praticamente impossíveis devido a uma enorme variedade de parâmetros de controle agindo concomitantemente. Modelos em escala reduzida são uma abordagem experimental mais conveniente. Não obstante, há muitos parâmetros estruturais e hidrodinâmicos a serem determinados. Considerando apenas risers verticais no trabalho presente, a decomposição modal de Galerkin é usada a fim de reduzir a dinâmica de um cilindro fléxivel vertical a alguns modos lineares em que a maior parte da energia e informação estão contidos. A partir da análise modal, parâmetros de massa adicional e amortecimento estrutural de um cilindro flexível vertical são obtidos usando testes de decaimento livre conduzidos na água e no ar. Finalmente, um oscilador modal de Mathieu-Hill com amortecimento não-linear é proposto e, baseado em um diagrama de Strutt, a estabilidade modal sob excitação de ressonânica paramétrica é discutida.

O propósito deste trabalho é estudar as forças de corte envolvidas no processo de fresamento de bordas de chapas utilizadas para a fabricação de tubos de aço com costura e como estas variam em função dos parâmetros de corte utilizados. O objetivo é correlacionar estas forças à qualidade do acabamento superficial das bordas usinadas, uma vez que esta é fundamental para a qualidade final da solda do tubo. Para isso, foi construído um dinamômetro de mesa para medição das forças, e os dados foram analisados através do Método da Regressão Linear Múltipla. Os resultados obtidos demonstraram que, tanto para a força de corte quanto para a rugosidade da superfície usinada, o parâmetro que mais influencia é o avanço por dente, seguido pela largura de corte, sendo que o que menos influencia é a velocidade de avanço. Estes resultados foram comprovados com êxito no processo industrial foco deste estudo através da medição da corrente elétrica dos motores dos eixos-árvore e da vibração dos mesmos. / This work aims to study the cutting forces involved in the edge milling process for welded pipes manufacturing and how these forces vary due to the cutting parameters. The objective is to create a relationship between these forces and the surface roughness of the machined edges, once it\'s fundamental to the pipe weld quality. To do this, it was designed and manufactured a dynamometer, and the data was analyzed statistically by the Linear Multiple Regression Method. The results show that for the cutting forces as well as the surface roughness, the most significant parameter is the feed per tooth, followed by the cutting width and the feed speed. These results were successfully proven on the industrial process that is the focus of this study, through the spindle motors electric current and its vibration.

O polietileno de média densidade (PEMD) é um polímero termoplástico parcialmente cristalino, cujo uso tem crescido bastante em aplicações de engenharia, como em tubos plásticos para sistemas de distribuição de água e de gás. Sob carga constante, entretanto, este material pode eventualmente apresentar fratura por fluência, por meio de um mecanismo de crescimento lento de trincas, provocando acentuadas perdas por vazamento nos sistemas. Os métodos atuais empregados pela indústria para estimar a durabilidade dos tubos são caros, demorados, pouco práticos e imprecisos. Busca-se o desenvolvimento de técnicas mais eficientes, sendo que os métodos da mecânica da fratura são promissores no sentido de descrever a etapa de propagação da trinca. Ensaios de mecânica da fratura, entretanto, requerem a introdução de pré-trincas nos corpos de prova. Sabe-se que as técnicas artificiais de introdução de pré-trincas causam algum tipo de dano na matriz polimérica, que pode ou não afetar os resultados dos ensaios, dependendo dos eventos que ocorrerem após o carregamento inicial. A principal propriedade requerida de um método de introdução de pré-trinca, portanto, é reprodutibilidade. Neste estudo foram aplicados três importantes métodos de mecânica da fratura ao PEMD e investigados os efeitos de diferentes técnicas de introdução de pré-trincas sobre os resultados dos ensaios e sobre as estruturas de deformação na matriz do material na ponta da trinca. Os ensaios de tenacidade à fratura no estado plano de deformação - KIc - foram realizados em condições criogênicas, em vista do comportamento dúctil do material à temperatura ambiente, sendo que a estratégia mostrou-se satisfatória. Os resultados dos ensaios de Integral-J sugerem que o método pode não ser aplicável ao PEMD, devido ao peculiar mecanismo de fratura do material. O método do trabalho essencial de fratura - EWF - se aplica bem ao PEMD. Os resultados dos ensaios de KIc e EWF demonstraram que diferentes técnicas de introdução de pré-trincas provocam diferentes estruturas de deformação no material na ponta da trinca e afetam os resultados de ensaios de fratura no PEMD. Os resultados de EWF demonstraram ainda que o processamento também afeta as propriedades de fratura do material. É proposta uma nova técnica para a introdução de pré-trincas, com características mais naturais, a qual requer estudos complementares para seu aperfeiçoamento. / Medium density polyethylene (MDPE) is a semicrystalline thermoplastic polymer that has been increasingly used in engineering applications, as plastic pipes for water and gas distribution systems. Under constant load, however, this material may occasionally present creep failure, by means of a mechanism of slow crack growth, leading to leakage losses in the systems. Current methods used by industry to estimate durability of pipes are expensive, time consuming, non practical and inaccurate. The development of more efficient methods is a common target and fracture mechanics methods are promising in describing the crack propagation stage. Fracture mechanics testing methods, however, require the introduction of pre-cracks into the specimens. It is known that artificial methods of introducing pre-cracks produce some damage on the polymeric matrix, which may or not affect the results of tests, depending on the events that occur after the initial loading. Main propriety required of a pre-crack introducing method, therefore, is reproducibility. In this study three important fracture mechanics methods were applied to MDPE and the effects of different methods of pre-cracking over test results and over deformation structures of material matrix at the crack tip were investigated. Plane-strain fracture toughness - KIc tests were performed under cryogenic conditions, in view of the ductile behavior of material at room temperature and this strategy was well succeed. Results of Integral-J tests suggest that this method may not be applicable to MDPE, due to the peculiar fracture mechanism of the material. The essential work of fracture method EWF is well suited to study MDPE. The results of KIc and EWF tests showed that different pre-cracking methods cause different deformation structures in the material at the crack tip and affect the fracture tests with MDPE. EWF results showed also that the processing affect the fracture properties of materials too. It is proposed a new method for introducing pre-cracks, with more natural characteristics that requires complementary studies for its improving.

Tubos flexíveis são amplamente utilizados na indústria offshore. Essas estruturas são empregadas no transporte de fluidos, na exploração de petróleo em águas profundas. Suas diversas camadas conferem propriedades, como a resistência mecânica e a impermeabilidade, que são importantes em ambientes de condições adversas. A instalação é uma etapa crítica da vida útil dos tubos flexíveis, visto que os carregamentos de lançamento podem danificar a estrutura dos mesmos. As cargas predominantes durante essa etapa são o peso próprio da linha, os esforços de compressão radial que são impostos ao tubo pelas sapatas dos tensionadores e a pressão de estrangulamento aplicada ao tubo pelas armaduras de tração. A magnitude dessas cargas está diretamente associada à profundidade de lançamento. O presente trabalho tem como objetivo a análise qualitativa dos principais parâmetros responsáveis pela falha dos tubos flexíveis quando submetidos aos carregamentos de lançamento. O comportamento do tubo é investigado em função da variação das cargas de esmagamento (crushing) e de estrangulamento (squeezing) com a profundidade de lançamento da linha. Esse estudo é conduzido através da proposição de modelos numéricos baseados no método dos Elementos Finitos. Aspectos importantes de modelagem como a representação do perfil real das camadas metálicas e das sapatas e a avaliação dos contatos entre as camadas são considerados nos modelos propostos. Os parâmetros de investigação são: a quantidade de sapatas e seu ângulo de abertura; a adição da capa polimérica externa e o estudo de seu contato com as sapatas; a rigidez das sapatas; e a profundidade de falha do tubo com atuação simultânea dos carregamentos de esmagamento e estrangulamento. A avaliação da influência desses parâmetros na falha do tubo flexível durante o lançamento é o escopo deste trabalho. Essa análise ainda proporcionou a determinação das regiões de escoamento das camadas metálicas considerando cada uma das variáveis avaliadas. Através deste trabalho, foi possível perceber que todos os parâmetros investigados têm influência na falha do tubo flexível. Alguns, no entanto, como o tipo de contato entre a camada polimérica externa e as sapatas, e a atuação do carregamento de estrangulamento no tubo não atuam de maneira significativa na falha. Assim, foi eleita uma configuração de lançamento a favor da segurança para o tubo investigado com base nos parâmetros estudados. / Flexible pipes are widely used in the offshore industry. These structures are employed in the transportation of fluids in deep-water oil exploitation. Its several layers provide different properties as mechanical strength and tightness that are important for operation in harsh environment condition. The installation procedure is critical in the life cycle of flexible pipes since the installation loads can damage the pipe structure. The prevailing loads during this step are the pipe weight, radial compressive forces applied to the pipe by the shoes of the tensioners, and the squeezing loads applied to the pipe by the tensile armors. The extent of these loads is directly linked with the launching depth. The main goal of this dissertation is the qualitative analysis of the main parameters that leads the pipe to failure by the installation loads. The behavior of the pipe is investigated considering the change in crushing and squeezing loads with the launching depth. This analysis is done through numerical models based on the Finite Element Method. Important modeling assumptions such as the representation of the actual profile of the layers and shoes and contact-pair between the layers are features taken in account into the models presented. The parameters investigated are: the number of shoes and their opening angle; the addition of the external polymeric sheath, and the study of their contact with the shoes; the stiffness of the shoes; and the depth by which the failure of the tube occurs when the crushing and squeezing loads are applied. The scope of this work is the evaluation of these parameters in the tube failure during installation. This analysis also provided to determine the regions of layers yielding considering one of the variables. Through this work, it was noticed that all parameters investigated contribute to the tube failure. However, some of them such as the contact between the external polymeric sheath and shoes, and the squeezing load do affect significantly to failure. Therefore, a launching configuration was chosen respecting the safety of the pipe, and based on the parameters investigated.

O problema das vibrações induzidas por vórtices em cilindros flexíveis inclinados em relação ao perfil de correnteza incidente é estudado através de uma abordagem experimental. Este tema se mostra de grande importância e aplicação na Engenharia Naval e Oceânica uma vez que são diversas as estruturas que se encaixam nesta descrição, como são o casos dos risers e linhas de amarração. Apesar de extensa, a literatura técnica especializada no assunto é focada em simplificações, tais como os estudos de cilindros rígidos fixos, cilindros rígidos montados em base elástica e cilindros flexíveis verticais ou lançados em catenária livre. A questão da inclinação é abordada em termos do Principio da Independência que diz que as forças e a frequência de emissão de vórtices em um cilindro inclinado são iguais as de um cilindro vertical se considerada apenas a parcela da correnteza normal à direção de inclinação. Estudos anteriores mostraram que este princípio é válido somente em algumas condições específicas e poucos deles apresentam resultados para cilindros flexíveis. Com base nisso, um ensaio em escala reduzida em tanque de reboque foi realizado com um modelo de linha composto por um tubo de silicone preenchido com microesferas de aço e condições de contorno articuladas em suas extremidades, o que conferiu características inerciais e geométricas ideais para a obtenção do fenômeno. Além da configuração vertical (? = 0°), que é o caso de referência, o modelo foi estudado em outras quatro inclinações com a vertical: ? = 10°, 20°, 30° e 45°. Estas inclinações foram ensaiadas para cinco diferentes azimute: ? = 0°, 45°, 90°, 135° e 180°, resultando em vinte e uma configurações de inclinação. Os resultados são analisados em termos da decomposição modal da vibração da linha, ou seja, são apresentadas amplitudes e frequências de oscilação ocorridas em cada um dos modos de vibrar. Além disso são realizadas análises espectrais, gráficos de evolução espaço-temporal, trajetórias de pontos ao longo do modelo flexível, entre outros. Frequências naturais, coeficientes de amortecimento e trações no topo são apresentados, complementarmente, como resultados de caracterização do modelo. Os estudos apontaram para uma validade do PI com algumas ressalvas, principalmente influenciadas pela diferença nas frequências do primeiro e segundo modo que é crescente com o aumento da inclinação. Além disso conclusões importantes sobre a coexistência modal, em regiões de ressonância e/ou de transição da dominância modal, foram obtidas. / The vortex-induced vibration problem in flexible cylinders yawed in relation to the incident current profile is studied through an experimental approach. This topic has great importance and application on Naval and Oceanic Engineering once there are multiple structures that fit into this description, such as risers and mooring lines. Though extensive, technical literature specialized on this topic is focused on simplifications such as the study of fixed rigid cylinders, elastic base rigid cylinders and flexible cylinders assembled vertically or launched in free hanging catenary. The inclination issue is addressed in the terms of the Principle of Independence which states that the forces and frequency shedding in an inclined cylinder are equal to those of a vertical cylinder if only considered the current component normal to the inclination plane. Previous studies showed that this principle is valid only on some specific conditions and few of them showed results to flexible systems. Based on this, a scaled tow tank test was performed with a line model composed of a silicone tube filled with steel microspheres and articulated end conditions, which offered the ideal inertial and geometrical conditions to obtaining the phenomenon. Besides the vertical configuration (? = 0°), which is the reference case, the model was studied in other four inclinations with the vertical: ? = 10°,20°, 30° and 45°. These inclinations were tested for five different azimuth directions: ? = 0°, 45°, 90°, 135° and 180°, resulting in 21 configurations. The results are analyzed on terms of the modal decomposition of the line motions, that is, amplitudes and oscillation frequencies are presented for each one of the vibration modes. Furthermore other analyzes are made, as spectral graphs, spatio-temporal evolution graphs, line points trajectories, among others. Natural frequencies, damping coefficients and tensions at the top are presented, complementarly, as results of the model characterization. The studies pointed to a validity of the IP with some reservations, mainly influenced by the difference in of the first and second mode frequencies that is increasing with the yaw increase. In addition, important conclusions about modal coexistence in regions of resonance and / or transition of modal dominance were obtained.

Neste trabalho avalia-se a confiabilidade de tubos circulares de concreto armado submetidos à compressão diametral utilizada no controle de qualidade da produção. O estudo envolve uma parte experimental e uma teórica. Na parte experimental foram ensaiados 32 tubos divididos em duas séries de 16 tubos de diâmetros nominais de 800 mm e 1200 mm. Cada série era formada por 12 tubos tipo ponta e bolsa (PB) e 4 tubos tipo ponta sem bolsa (PSB). Na parte teórica, os tubos foram analisados por um programa computacional baseado no método dos elementos finitos desenvolvido para pórticos planos considerando as não-linearidades física e geométrica. Na análise de confiabilidade, as funções de estado limite foram determinadas segundo o Método da Superfície de Resposta. Os resultados numéricos e experimentais da curva força versus deslocamento apresentaram boa concordância e indicaram que o tubo se comportou como um anel circular, uma vez que os tubos tipo PSB apresentaram forças últimas da ordem de 4% e 12% maiores que as obtidos para os tubos PB, respectivamente para os diâmetros nominais de 800 mm e 1200 mm. Entretanto, a presença da bolsa influenciou no valor da força de fissuração, sendo 6,4% e 33% maior para os tubos PB em relação aos tubos PSB para os diâmetros nominais de 800 mm e 1200 mm, respectivamente. A teoria de confiabilidade mostrou que a probabilidade de falha dos tubos de concreto para atender ao ensaio de compressão diametral foi fortemente influenciada pelo controle de qualidade dos materiais utilizados na fabricação dos tubos. Ainda, foi observado que os tubos analisados apresentaram índice de confiabilidade superior a 3,8, para atender ao ensaio de compressão diametral. Dentre as variabilidades mais influentes no cálculo do índice de confiabilidade, destacam-se a resistência à compressão do concreto, a espessura do tubo e a posição da armadura. / This work evaluates the reliability of circular reinforced concrete pipes subjected to diametrical compression considering the quality control of the production. The study includes experimental and theoretical parts. In the experimental part, 32 pipes divided in two series of 16 pipes according to the nominal diameter of 800 mm and 1200 mm were tested. Each series was composed by 12 spigot and pocket pipes (PB) and 4 ogee joint pipes (PSB). In the theoretical part, the pipes were analyzed using a computational program based on finite element method developed for frame structures considering physical and geometrical nonlinearities. In reliability analysis, the limit state functions were determined according to the Method of Response Surface. Numerical and experimental results of the loading versus displacement curves were well agreed and they indicated that the pipe behaves as a circular ring, once the PSB pipes presented maximum loads 4% and 12% higher than those obtained for PB pipes, respectively for nominal diameters of 800 mm and 1200 mm. However, the presence of pocket influenced the cracking loading, with 6.4% and 33% higher for PB pipes in relation to PSB pipes for the nominal diameters of 800 mm and 1200 mm, respectively. The reliability theory showed that the probability of failure of concrete pipes to meet the diametrical compression test was strongly influenced by the quality control of materials used in manufacturing the pipes. Also, it was observed that analyzed pipes presented reliability index greater than 3.8, to meet the diametrical compression test. Among the most influential variabi1ities in evaluating of reliability index, the concrete compressive strength, the pipe thickness and the position of the reinforcement in the pipe can be highlighted.